鉀濃度對茴香植株生長發育、精油含量和組分的影響

何金明，肖艷輝，王羽梅，潘春香

韶關學院英東農業科學與工程學院，廣東 韶關 512005

茴香 Foeniculum vulgare Mill.為傘形科茴香屬植物，原產于地中海地區，在我國已經有一千多年的栽培歷史。茴香作為一種多用途的芳香植物，常用于調味品、中藥和蔬菜等方面。我國茴香的主要產區為中國西北的甘肅、寧夏、新疆和內蒙古等省區，由于基本上只有茴香籽一種形式面向市場，產品過于單一，導致整個產業受茴香籽供需動蕩而表現為極不穩定狀態。在國際上，提取精油作為輕工原料是茴香利用的另一重要途徑。精油作為茴香主要的次生代謝產物，被廣泛應用于日化產品、食品添加劑和醫藥等方面。與原產地相比，我國茴香存在精油含量低、品質不高的問題[1-2]，這一現狀嚴重制約了以提取精油為目的的茴香籽的生產與貿易，更不利于我國茴香產業的拓展與產業鏈的延伸。

栽培條件如施肥量、施肥方式、氮源、礦質離子濃度等對茴香精油成分的相對含量具有一定影響。Khan等[3]通過土壤施肥量的增加（由N 60 kg·hm-2+ P 27 kg·hm-2增到 N 90 kg·hm-2+ P 40 kg·hm-2），促使茴香精油中苯丙烷類化合物含量的增加，葉面施肥（N 20 kg·hm-2、P 2 kg·hm-2和 N 20 kg·hm-2+ P 2 kg·hm-2）促進精油中單萜類化合物含量增加。Mordy[4]研究了不同氮源對茴香成分含量的影響，發現甜茴香施用硫酸銨和硝酸銨使反式茴香腦相對含量增加 19%，施用尿素時降低9%；而球莖茴香施用不同氮源對反式茴香腦相對含量影響不顯著；除對甜茴香施用硫酸銨和對球莖茴香施用尿素外，其他復合性氮肥都使小茴香酮含量增加。王羽梅等[5]利用水培的方法研究了不同陰離子對球莖茴香生長和精油含量的影響，結果表明，高濃度Cl-和高濃度SO4-2的營養液配方可使球莖茴香葉片的精油含量和精油中的檸檬烯含量明顯增加。Singh等[6]的研究表明，在30%可交換鈉的逆境環境中苦茴香生長良好，果實產量和精油含量較正常土壤中的略低，但精油的品質明顯提高（反式茴香腦相對含量由 63.4%提高到 75.2%，小茴香酮相對含量由 12.1%降低到9.0%）。若能在這些研究的基礎上，進一步深入研究單一礦質元素（如鉀）對茴香精油含量與組分的影響，并嘗試分析相關生理指標變化與精油含量和組分變化的內在聯系，將有助于揭示茴香初生代謝與次生代謝之間的關系，為旨在提高茴香精油的產量和品質栽培技術的制定提供參考。為此，我們利用水培的方式，在日本園試配方的基礎上，按比例增減其中鉀元素的濃度，研究不同鉀濃度水平對茴香生長發育、精油含量和組分的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以茴香為試材。茴香種子來源于內蒙古托克托縣的當地主栽品種托縣小茴香，一年生栽培，2008年生產。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 本試驗于 2009年 9月—2010年 5月在廣東省韶關學院生態園溫室內進行。2009年9月9日播種，基質為珍珠巖。9月16日出苗，出苗后用 1/2濃度的日本園試配方營養液進行澆灌。9月26日（第一真葉展開）定植至不同鉀濃度的水培箱進行處理。以園試配方中鉀濃度為標準 1K（8 mmol·L-1），設計 1/8K（1 mmol·L-1）、1/4K（2 mmol·L-1）、1/2K（4 mmol·L-1）、1K（8 mmol·L-1）和 2K（16 mmol·L-1）共 5 個鉀濃度，每個處理設3次重復。11月26日（茴香發育至開花期）取樣分析。

水培采用深液流栽培法。定植箱：為 950 mm×600 mm×20 mm泡沫箱，內鋪黑色塑料膜。每箱定植24棵茴香，定植株行距12 cm×15 cm，基質為珍珠巖。增氧設備：空氣壓縮泵，功率為80 W，電壓220 V/50 Hz，排氣量：90 L/h。每箱均勻安放2個通氣砂頭。用定時開關設定每間隔90 min打氣15 min。

每隔1天檢測營養液的pH值和EC，調整并保持pH值在5.5~6.5，營養液15 d換1次，保證EC不得低于營養液全濃度的1/2。

1.2.2 形態指標和生理指標的測定方法 處理結束后，每處理隨機取樣15株，測株高、分枝數、花序數、節數、地上部和地下部鮮干質量，并在此數據基礎上，計算全株鮮質量、全株干質量、根冠比和干物率。全株可溶性糖含量用蒽酮比色法[7]測定；全株全氮與蛋白氮含量用微量凱氏定氮法[8]測定；全株全碳用K2Cr2O7容量法[9]測定，葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量用比色法[10]測定。1.2.3 精油的提取與定量 精油提取與定量參見何金明等[11]的方法。每一處理蒸餾3次，取平均值。精油的正己烷溶液用棕色瓶封裝，－18 ℃保存。樣品烘干至恒質量，計算樣品的干物率，用mL?(100 g)-1DW表示精油的含量。

1.2.4 精油成分分析 利用 GC/MS（Trace GC-2000/DSQ， Thermo Finnigan，USA）分析精油成分。具體分析步驟與儀器參數設置參見何金明等[11]的方法。

使用色譜峰面積歸一法確定精油成分的相對含量。每個樣品重復3次。

1.3 數據分析

所得數據采用 SPSS軟件包進行方差分析和相關分析，用Duncan’s 新復極差法進行平均數的顯著檢驗。

2 結果與分析

2.1 鉀濃度對茴香生長發育的影響

不同鉀濃度處理，除了株高、地下部鮮質量、根冠比和干物率外，其余形態指標均差異顯著。其中，分枝數（1K＞1/2K、1/8K、2K＞1/4K）、節數（1/2K、1K、1/8K＞2K＞1/4K）變化相似；地上部鮮質量、全株鮮質量和全株干質量變化一致，在1/8K~1K范圍內，表現為隨著鉀濃度的升高逐漸增加，并在1K時達到最高，至2K則開始下降；花序數則為1K顯著高于其他處理（表1）。綜合分析認為 1K水平是利于茴香生長發育的最佳處理（表1）。

2.2 鉀濃度對茴香精油含量及其他生理指標的影響

不同鉀濃度處理，對碳、氮含量等指標、精油含量和產量影響顯著，但無明顯的線性規律。其中，全氮含量為1K＞1/4K、1/8K＞1/2K＞2K；蛋白氮含量為1K、1/8K＞1/4K、1/2和2K；全碳含量和可溶性糖含量變化一致，為1/4K＞1/8K、1/2K、1K＞2K；C/N比為2K＞1/2K、1/4K＞1/8K＞1K；精油含量為1/4K、1/8 K、1K＞1/2K、2K，單株精油產量為1K＞2K、1/4K、1/2K＞1/8 K（表2）。

不同鉀濃度處理，茴香葉綠素 a含量、葉綠素b含量、類胡蘿卜素含量、葉綠素a+b含量和葉綠素a/葉綠素b表現出相同的變化規律：與1K處理相比較，增加和降低鉀濃度，其含量均表現為增加趨勢；并且，由 1K~1/8K，隨著鉀濃度的不斷降低，上述指標均表現為不斷增加，并且至1/8K達到最大值（表3）。

2.3 鉀濃度對茴香精油成分組成比例的影響

不同磷濃度處理茴香，其精油經 GC/MS鑒定，共鑒定出23種成分，已鑒定出成分的峰面積總和占總峰面積的 97.90%以上。相對含量在 1%以上的成分有反式茴香腦、檸檬烯、蒔蘿芹菜腦、愛草腦、水芹烯、反式葑醇乙酸酯和小茴香酮 6種（表4）。

表1 不同鉀濃度對茴香形態指標的影響Table 1 Effect of different potassium concentrations on fennel’s shape index

表2 不同鉀濃度對茴香精油含量及其他生理指標的影響Table 2 Effect of different potassium concentration on essential oil contents and other fennel’s physiological index

表3 不同鉀濃度對茴香葉綠素、類胡蘿卜素含量的影響Table 3 Effect of different potassium concentrations on contents of Chl. and CAR. in fennel leaves

不同鉀濃度處理茴香，其精油成分在種類上沒有差異。精油成分除了香檜烯、羅勒烯、γ-萜品烯、3,4-二甲基-2,4,6-辛三烯、愛草腦和肉豆蔻醚6種成分相對含量差異不顯著外，其他成分的相對含量均差異顯著（表4）。第一主要成分反式茴香腦的相對含量為74.75%~79.15%，1/4K、1/8K（78.11%、79.15%）顯著高于1/2K（74.75%），而2K和1K（76.24%和76.46%）居中，且與其他處理差異均不顯著；第二主要成分檸檬烯含量表現為1/2K（14.81%）較高， 1K和1 /4K（12.18%和12.82%）居中，而1/8K和2K（8.68%和8.25%）較低；第三主要成分蒔蘿芹菜腦的相對含量為1/8K和1/2K較高（3.44%和3.82%），而2K（2.84%）居中，1/4K 和1K（2.04%和2.26%）較低；愛草腦含量為 2.61%~2.69%，不同處理之間差異不顯著；水芹烯含量表現為2K（2.81%）最高，1K、1/4K和1/8K（1.44%、0.87%和0.94%）次之，1/2K（0.13%）最低；反式葑醇乙酸酯含量為 2K較高（1.39%），1K（1.03%）次之，1/2K 和 1/8K（0.46%~0.54%）再次之，1/4K最低（0.19%）；小茴香酮含量變化則表現為2K（2.36%）較高，1K（0.50%）次之，1/2K、1/4K和1/8K均在0.01%以下（表4）。

根據化合物的結構與合成途徑，可將茴香精油成分分為苯丙烷類化合物和萜類化合物（包括單萜、倍半萜和萜類衍生物）。本研究中，苯丙烷類化合物有對聚傘花素、愛草腦、順式茴香腦、反式茴香腦、甲基異丁子香酚、肉豆蔻醚和蒔蘿芹菜腦7種成分，其余為萜類化合物。不同鉀濃度處理茴香精油苯丙烷類化合物為81.585~85.62%，1/8K顯著高于 1K和 1/2K，而2K和1/4K居中且與以上三者差異不顯著；萜類化合物含量則表現為1/8K，顯著低于其他處理（表4）。

表4 不同鉀濃度對茴香精油成分組成比例的影響Table 4 Effect of different potassium concentrations on essential components and proportion in fennel essential oil

2.4 茴香精油含量、產量和碳、氮等生理指標的相關分析

精油含量與單株精油產量、全氮含量、蛋白氮含量和碳氮比（r為－0.08~0.10）相關不顯著，與全碳含量、可溶性糖含量（r分別為 0.72和0.70）正相關極顯著；單株精油產量與全氮含量正相關（r＝0.49）顯著，與其余指標相關均不顯著；全氮含量與蛋白氮含量（r＝0.71）成極顯著正相關，與碳氮比的（r＝－0.97）成極顯著負相關，而與全碳含量、可溶性糖含量（r分別為0.20和0.36）成不顯著正相關；蛋白氮含量與全碳含量（r＝－0.26）、碳氮比（r＝－0.84）和可溶性糖含量（r＝－0.10）成負相關，且與碳氮比達到極顯著水平；碳含量和可溶性糖含量（r＝0.90）成極顯著正相關；碳氮比與全碳含量和可溶性糖含量的（r分別為－0.01和－0.20）成不顯著負相關。

表5 不同鉀濃度茴香精油含量、產量和主要成分含量及生理指標的相關系數Table 5 Correlation coefficient of essential oil contents, yields, contents of components,and physiological index in fennel treated by different concentration potassium

3 討論

鉀不是植物細胞結構組分，在植物體內鉀以鉀離子形態存在，通過激活酶，鉀促進蔗糖合成、淀粉和蛋白質合成，促進同化物從源到庫的運輸。在一定范圍內，增施鉀肥可以提高作物的產量，但超過該范圍，則使作物產量降低[12]；鉀對植物品質的改善具有重要作用。我們的研究與上述報道相似，在 1/8K~1K，隨著鉀濃度的增加，茴香的生物產量不斷增加，鉀濃度再增至2K，茴香的生物產量則開始下降。另外，較高（2K）或較低（1/8K~1/2K）濃度鉀處理的茴香花序數均顯著低于標準濃度（1K）的花序數，說明適宜的鉀肥濃度促進茴香的發育，使花期提前。

精油屬于植物次生代謝產物。精油組分的合成途徑約有4種：甲羥戊酸途徑、3-PGA/丙酮酸途徑、莽草酸途徑和丙二酸途徑，其中甲羥戊酸途徑和3-PGA/丙酮酸途徑合成了萜類化合物，莽草酸途徑和丙二酸途徑合成了苯丙烷類化合物[12]。不同鉀濃度處理，茴香精油苯丙烷類化合物為1/8K顯著高于1K和1/2K，2K和1/4K居中且與以上三者差異不顯著；而萜類化合物含量則為1/8K 顯著低于其他處理：說明1/8K可能直接或間接顯著影響了上述代謝途徑的反應方向和反應速率，使更多的底物通過莽草酸途徑和丙二酸途徑合成積累苯丙烷類化合物，而不利于萜類化合物累積。

綜合分析不同濃度氮[13]、磷（文章已被接收，尚未刊出）和鉀處理茴香，對于茴香精油含量而言，最佳處理均多出現在一個較低的濃度（氮為1/4N和 1/8N，磷為 1/8P，鉀為 1/4K 、1/8K和1K），而對于茴香單株精油產量而言，三者最佳處理多為標準濃度（氮為1N、磷為1P和1/8P、鉀為 1K）。因此可以認為，對于氮、磷、鉀而言，較低的濃度相對有利于茴香次生代謝產物的累積（主要表現為精油含量），而針對初生代謝設計的營養液配方的標準濃度，則有相對利于初生代謝產物的累積（主要表現為生物量）。由于精油產量是由精油含量和茴香生物產量共同決定的，且標準濃度的生物量遠遠高于較低濃度的生物量，因此對于單株精油產量而言，標準濃度表現最好。

綜合比較不同氮、磷、鉀濃度對茴香生長發育與精油成分相對含量的影響，發現在植株形態方面，氮濃度對茴香所有（10個）形態指標均影響顯著，磷濃度對其中8個形態指標影響顯著，鉀濃度則對其中6個形態指標均影響顯著；而在精油成分的相對含量方面，氮濃度對茴香所有（23種）成分均影響顯著，磷濃度對其中22種成分影響顯著[13-14]，鉀濃度則對其中16種成分影響顯著。因此，可以認為對茴香植株形態和精油成分相對含量的影響表現為N＞P＞K。

4 結論

不同鉀濃度處理對茴香植株形態（分枝數、節數、花序數）、生物量影響顯著，其中，分枝數（1K＞1/2K、1/8K、2K＞1/4K）、節數（1/2K 、1K、1/8K＞2K＞1/4K）變化相似；地上部鮮質量、全株鮮質量和全株干質量為 1K＞2K ＞1/2K＞1/4K＞1/8K；花序數為1K顯著高于其他處理；

不同鉀濃度處理對碳氮含量（全氮、蛋白氮、全碳、可溶性糖、C/N）、精油含量、單株精油產量影響顯著，但無明顯的線性規律，其中精油含量為1/4K、1/8 K、1K＞1/2K、2K，單株精油產量為1K＞2K、1/4K、1/2K＞1/8 K；

不同鉀濃度處理，茴香色素（Chl.a、Chl.b、CAR.、Chl.a+b、Chl.a/b）具有相同變化規律：與1K處理相比較，增加和降低鉀濃度，其含量均表現為增加趨勢；并且，由 1K~1/8K，隨著鉀濃度的不斷降低，上述指標均表現為不斷增加，并且至1/8K達到最大值。

不同鉀濃度處理茴香精油均鑒定出 23種成分，其中17種成分的相對含量差異顯著。精油第一主要成分反式-茴香腦含量為74.75%~79.15%，第二主要成分檸檬烯含量為8.25%~14.81%，第三主要成分蒔蘿芹菜腦相對含量 2.04%~3.82%，處理間均差異顯著。

相關分析表明，精油含量與全碳含量（r＝0.72）、可溶性糖含量（r＝0.70）成極顯著正相關；單株精油產量與全氮含量（r＝0.49）呈顯著正相關。

綜合評價：1K為利于茴香初生代謝（生長）的最佳鉀濃度，而1/4K、1/8K和1K為利于次生代謝產物累積（精油含量）的較好鉀濃度。鉀濃度不但影響茴香的生長，還影響著茴香次生代謝產物精油的含量、產量和成分組成比例；適宜的鉀濃度（1K）可以實現茴香初生代謝（生長）與次生代謝（精油產量）均高的結果。

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